透視SLM 3D打印技術(shù)如何制造針翅熱管熱交換器

魔猴君  行業(yè)資訊   1599天前

換熱器-熱交換器從渦輪發(fā)動機的渦輪機排氣中提取熱量，并利用該熱量在流經(jīng)燃燒器之前預(yù)熱離開發(fā)動機壓縮機的空氣。微型渦輪發(fā)動機的換熱器，像許多其他熱交換器一樣，換熱器可以采用多種不同的方式來制造，但是傳統(tǒng)方式制造的典型的換熱器是釬焊或焊接的板翅式，其中翅片可以是傳統(tǒng)的直翅或波狀翅片，銷翅片或網(wǎng)狀翅片。

熱交換器非常適合通過增材制造的方式來制造，不過一個吸引人的或創(chuàng)成式式的設(shè)計本身往往是不夠的。據(jù)了解，這其中還包括對傳熱/流體力學(xué)的基本原理的掌握，對熱流體模擬仿真和AM-增材制造過程的深刻理解和結(jié)合，這是取得令人信服的競爭性結(jié)果所必需的。

換熱器專利，來源：USTPO

 復(fù)雜的設(shè)計3D造

微型渦輪機在汽車、國防、航空航天、清潔能源等領(lǐng)域具有廣泛的潛在應(yīng)用。然而，這種潛力在很大程度上尚未實現(xiàn)，一方面由于同流換熱器的高成本，而且換熱器的尺寸和重量會帶來一定的不利影響。

傳統(tǒng)方式制造的現(xiàn)有的同流換熱器，特別是高溫同流換熱器的另一個問題是缺乏堅固性，這是由于尖角和矩形接頭處的熱疲勞和應(yīng)力所致，而釬焊和大多數(shù)其他連接方法不可避免地產(chǎn)生了這種疲勞和應(yīng)力。

傳統(tǒng)換熱器和其他熱交換器的另一個問題是，在微型渦輪機中，換熱流體的來源（在壓縮機的出口和燃燒室的入口）可能相距一定距離。這意味著可能需要大量的歧管，這大大增加了體積、重量和成本，還導(dǎo)致了熱力學(xué)損失。由于熱交換器及其歧管的體積大，它們的位置可能是非最佳的，從而導(dǎo)致效率的進(jìn)一步降低。

熱管可以以各種方式制造，最簡單的是，熱管可以采用管的形式，在管中插入網(wǎng)狀套筒形式的芯。復(fù)合燈芯可包含多個元素：例如，具有小孔的燒結(jié)材料可提供驅(qū)動毛細(xì)作用力，而具有較大開口的通道可提供更大的流體流量且流體摩擦較小。隨著增材制造方法的發(fā)展，尤其是選區(qū)激光熔化金屬3D打印技術(shù)（SLM）的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)通過3D打印技術(shù)直接構(gòu)建針翅式熱交換器。

 更輕、更緊湊、更高效

Sustainable Engine Systems有限公司開發(fā)了一種熱交換器，其中，熱交換器的一部分或全部由一個或多個熱管代替。這顯著增加了熱交換器的不同部件的熱導(dǎo)率，并允許減小尺寸，重量和成本。

通過增材制造技術(shù)，特別是選區(qū)激光熔化金屬3D打印技術(shù)（SLM）來實現(xiàn)這種熱交換器的制造，以熱管形式的針狀翅片代替了常規(guī)針狀翅片板式熱交換器中的針狀翅片。當(dāng)前的針翅式熱交換器適用于各種各樣的熱管類別，包括回路熱管、毛細(xì)管泵熱管、脈動熱管、可變電導(dǎo)率熱管、旋轉(zhuǎn)熱管和吸附熱管。

換熱器專利，來源：USTPO

通常熱蒸發(fā)器部分的端部將與隔板熱接觸，隔板的另一側(cè)與較冷的流體接觸，存在蒸發(fā)器性能可能下降的危險。通過選區(qū)激光熔化金屬3D打印技術(shù)（SLM）使銷翅片熱管的端部逐漸變細(xì)以減少與隔板的傳熱接觸，同時保持足夠的接觸以用于接合和強度目的，可以將這種影響最小化。此外在半數(shù)翅片熱管中，蒸發(fā)器將位于冷凝器上方，這可能導(dǎo)致傳熱性能比在蒸發(fā)器位于冷凝器下方的翅片熱管中實現(xiàn)的傳熱性能差，因為對毛細(xì)作用力缺乏重力輔助。在這些情況下，通過選區(qū)激光熔化金屬3D打印技術(shù)（SLM）可以調(diào)整銷翅片熱管的兩個方向的相對比例和/或尺寸來補償熱交換器性能的差異，每個針狀翅片是獨立的熱管。

針翅式換熱器專利，來源：USTPO

針狀翅片熱管的蒸發(fā)器和冷凝器部分可以是錐形的，通過這些手段，可以減小整個熱管的尺寸，重量和成本，這種設(shè)計也具有傳熱和壓降的優(yōu)點。針狀翅片熱管逐漸變細(xì)可以帶來更大的翅片效率，而不會像傳統(tǒng)的針狀翅片類似的幾何形狀變化而導(dǎo)致尺寸和重量增加。

針翅式換熱器專利，增加主管和針翅式熱管之間的過渡區(qū)域的體積。來源：USTPO

 更小、更輕、更便宜

SLM是一種方便且經(jīng)濟(jì)高效的方法，可大量制造此類針翅式熱管。后續(xù)的加工包括通過通過放電加工或其他方式。在這方面機械加工企業(yè)GF加工方案與3D Systems打造了工廠自動化的新概念，包括增材制造零件設(shè)計軟件，3D打印機，材料和自動化材料處理，放電加工（EDM）設(shè)備，銑削設(shè)備以及其他先進(jìn)后處理技術(shù)。

選區(qū)激光熔化金屬3D打印技術(shù)（SLM）帶來了結(jié)構(gòu)一體化的加工便利性，在針翅式熱管設(shè)計版本中，隔板和針翅式熱管可以集成在單個結(jié)構(gòu)中，從而消除了任何焊接或釬焊的需求。

來自每個針狀翅片蒸發(fā)器的蒸汽流，與進(jìn)入液體的蒸汽的流動方向相反，從針狀翅片蒸發(fā)器管的中心向下流，通過相同的孔進(jìn)入主熱管管，并聚集成一個一條較大的蒸氣流穿過主管，然后按正常方式沿著絕熱段流向冷凝器，在冷凝器中，液體和蒸氣流分別有相似的分配和聚集。

將長度適當(dāng)變化的針翅式蒸發(fā)器布置在微型渦輪機的圓形出口處，潛在好處包括減少傳統(tǒng)高溫?zé)峤粨Q器設(shè)計中固有的熱應(yīng)力問題；減少甚至消除歧管；減少流體摩擦；通過更優(yōu)化的設(shè)計提高系統(tǒng)緊湊性。

SLM針翅式換熱器還減少甚至消除了SLM結(jié)構(gòu)固有的除粉問題。對于直徑小于1毫米的非常低的管道以及復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在這種情況下，很難甚至不可能保證已清除所有多余的粉末顆粒，如果將這些粉末顆粒（例如，同流換熱器）輸送到壓縮機或渦輪機，可能會損壞葉片或渦輪，可能會造成嚴(yán)重后果。而對于SLM熱管，松散粉末可能殘留的空間被密封在熱管內(nèi)部，無法到達(dá)任何運動部件，不會對熱管性能產(chǎn)生不利的影響。這類設(shè)計增加了加熱流體和冷卻流體與熱管工作流體之間的主要直接傳熱表面積。反過來，熱管外部所需的次要表面積將減少，從而使整個系統(tǒng)變得更小，更輕和更便宜。

來源：3D科學(xué)谷